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Redes de DISPOSITIVOS CAN - Controller Area Network Prof. Ralf Moura, MSc PMP, PRINCE2, COBIT, CTAL-TM, IS20F, ISFS, ITIL, MOF, CTFL, CPRE-FL, CCF, CI-SCS, MCP • O CAN Bus (ou Controller Area Network) foi desenvolvido pela empresa alemã BOSCH e disponibilizado em meados dos anos 80. • Sua aplicação inicial foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios e tratores, entre outros. • Por ser uma rede de baixo custo, atuação eficiente em ambientes ruidosos e oferece os requisitos para controlar sistemas distribuídos em tempo real, ela é utilizada em áreas da engenharia que necessitam de monitoração e controle. CAN - Controller Area Network • Esse protocolo tornou-se um padrão internacional e está documentado na ISO11898 (para aplicações em alta velocidade) e ISO11519 (para aplicações em baixa velocidade). • Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro, além de suas mensagens serem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede. • Ele tem base na técnica CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution), às vezes chamado de CSMA/CD + AMP (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Arbitration on Message Priority) ou CSMA/NBA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration), para acesso ao meio de transmissão. CAN - Controller Area Network CAN – Mensagens MultiCast • CAN é um protocolo de comunicações serial síncrono utilizado em aplicações onde se deseja controlar sistemas distribuídos em tempo real com um alto nível de confiabilidade das informações. • O sincronismo entre os módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem lançada ao barramento (evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares). CAN - Características • O protocolo CAN utiliza das camadas do modelo OSI apenas a camada de enlace de dados e parte da camada física e a subcamada PLS (Physical Signaling), deste modelo. • O restante da camada física, as subcamadas PMA (Physical Medium Signaling) e a MDI (Medium Dependent Interface), e as outras camadas não são definidos pela especificação CAN, mas elas podem ser definidas pelo projetista do sistema. CAN - Controller Area Network CAN - OSI • As mensagens são caracterizadas por identificadores únicos, que podem ser de 11 ou 29 bits (estendido), e que também determinam a prioridade intrínseca da mensagem ao competir com outras pelo acesso ao barramento. • Elas possuem comprimento de dados de até 8 bytes de informação útil que podem ser transmitidas a uma taxa de até 1 Mbps utilizando um protocolo de arbitragem e mecanismo de detecção e sinalização de erros que proporcionam a integridade das informações transmitidas. • A taxa de transmissão depende do comprimento do barramento. A taxa máxima especificada é de 1 Mbps em sistemas com barramento de comprimento de até 30 m. • Se a distância do barramento for superior a 1 km pode ser necessária à utilização de dispositivos repetidores ou pontes para reforçar o sinal elétrico. CAN -Características • CAN é uma rede CSMA/NBA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration), isto é, todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. • Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la. CAN – Controle de Acesso ao Meio CAN – Controle de Acesso ao Meio • Algumas das maiores vantagens do CAN é a sua robustez e a capacidade de se adaptar às condições de falha, temporárias e/ou permanentes. • Podemos classificar as falhas de uma rede CAN em três categorias ou níveis: Nível de Bit, Nível de Mensagem e Nível Físico. CAN – Detecção de Falhas • Nível de Bit – Possui dois tipos de erro possíveis: • Bit Monitoring: Após a escrita de um bit dominante, o módulo transmissor verifica o estado do barramento. • Se o bit lido for recessivo, significará que existe um erro no barramento. • Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo valor (dominante ou recessivo). • Caso seja necessário transmitir sequencialmente seis ou mais bits de mesmo valor, o módulo transmissor inserirá, imediatamente após cada grupo de cinco bits consecutivos iguais, um bit de valor contrário. • O módulo receptor ficará encarregado de, durante a leitura, retirar este bit, chamado de Stuff Bit. Caso uma mensagem seja recebida com pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado terá ocorrido no barramento. CAN – Detecção de Falhas • Nível de Mensagem – São três os tipos de erro possíveis: • CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um checksum. • O módulo transmissor calcula um valor em função dos bits da mensagem e o transmite juntamente com ela. • Os módulos receptores recalculam este CRC e verificam se este é igual ao transmitido com a mensagem. CAN – Detecção de Falhas • Frame Check: Os módulos receptores analisam o conteúdo de alguns bits da mensagem recebida. • Estes bits (seus valores) não mudam de mensagem para mensagem e são determinados pelo padrão CAN. • Acknowledgment Error Check: Os módulos receptores respondem a cada mensagem íntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de uma mensagem resposta que é enviada ao módulo transmissor. • Caso esta mensagem resposta não seja recebida (pelo transmissor original da mensagem), significará que, ou a mensagem de dados transmitida estava corrompida, ou nenhum módulo a recebeu. • Toda e qualquer falha mencionada, quando detectada por um ou mais módulos receptores, fará com que estes coloquem uma mensagem de erro no barramento, avisando toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor deverá reenviá-la. CAN – Detecção de Falhas • Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. • Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). • No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da rede. • As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN. Camada Física • Nível Físico – Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a ocorrer com os fios de dados CAN_H e CAN_L, a rede continuará operando sob uma espécie de modo de segurança. • Seguem abaixo algumas das condições de falha nas linhas de comunicação que permitem a continuidade das atividades da rede: • Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC); • Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L; • Ruptura do CAN_H (ou CAN_L); CAN – Camada Física – Detecção de Falhas • CAN (Controller Area Networks) • Utilização e configuração simples (JPI – Just Plug In) • Uso de par trançado (blindado ou não) ou fibra ótica • Máx: 20 nós ou 30 nós • Transmissão de 125kbit/s ou 1Mbit/s (Depende o comprimento do cabo) • Detecção de erros extremamente eficaz • Confiável e robusta em diversas situações CAN - Controller Area Network • Start Of Frame (SOF) – Bit de inicio de mensagem • Arbitration field – Identificador de 11 bits, define a prioridade da mensagem, menorvalor binário maior prioridade. • Remote Transmission Request (RTR) – bit usado para distinguir entre um frame de dados e um frame de requisição; • IDentifier Extension (IDE)- Distingue um frame base ou um frame estendido • Data Length Code (DLC) – Número de bytes no campo de dados; • Data field – Dados até 8 bytes; • Cyclic Redundant Check (CRC) – Detecção de erros; • ACKnowledge (ACK) - o receptor escreve um bit dominante que indica que a mensagem foi recebida. • End Of Frame (EOF) – Fim de mensagem; • Intermission Frame Space (IFS): contém a quantidade de tempo requerido pelo controlador CAN para mover um Frame corretamente recebido para uma área de armazenamento de mensagem. CAN – Formato da Mensagem CAN – Sinalização física • CAN despertou muito interesse devido algumas de suas características: • Base no conceito broadcast; • Arbitragem não destrutiva; • Mensagens de dados pequenas; • Sem endereço explícito; • Elaborado esquema de tratamento de erros; • Vários meios físicos; (pode ser escolhido de acordo coma conveniência); • Capacidade multimestre e multicast; • Flexível; • Custo baixo, etc... CAN • Protocolos baseados no CAN: • J1939 • Volcano • CAN possui basicamente dois tipos de redes industriais: • CANopen • Devicenet CAN para automação Industrial • A rede CANopen é uma rede baseada em CAN, o que significa dizer que ela utiliza telegramas CAN para troca de dados na rede. • Foi pré-desenvolvida em um projeto Espirit da Bosh; • Em 1995 sua especificação foi passada para a CAN in Automation; http://www.can-cia.org/ CANopen • Por utilizar um barramento CAN como forma de transmissão de telegramas, todos os dispositivos da rede CANopen têm os mesmos direitos de acesso à rede, onde a prioridade do identificador é responsável por resolver problemas de conflito quando acessos simultâneos ocorrem; • Possibilita a comunicação direta entre escravos da rede, além do fato de que os dados podem ser disponibilizados de maneira mais otimizada, sem a necessidade de um mestre que controle toda a comunicação; CANopen CANopen • Outra característica importante é a utilização do modelo produtor / consumidor para a transmissão de dados. • Uma mensagem que trafega na rede não possui um endereço fixo na rede como destino. • A mensagem possui um identificador que indica qual o dado que ela está transportando. • Qualquer elemento da rede que necessite utilizar desta informação para a sua lógica de operação, poderá consumi-la, e portanto uma mesma mensagem pode ser utilizada por vários elementos da rede ao mesmo tempo. • O meio físico para a transmissão de sinais em uma rede CANopen é especificado pela norma ISO 11898. • Define como barramento de transmissão um par trançado com sinal elétrico diferencial. • O componente responsável pela transmissão e recepção de sinais é denominado transceiver, que obedece ao especificado pela ISO 11898; CANopen – Meio Físico CANopen
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